- Yhteenveto VTT:n menetelmistä ja mittauksista

Transkriptio

1 TUTKIMUSRAPORTTI VTT-M Kaupunkibussien päästötietokanta - Yhteenveto VTT:n menetelmistä ja mittauksista Kirjoittajat: Luottamuksellisuus: Kimmo Erkkilä, Petri Laine, Juhani Laurikko Julkinen

2

3 2 (10) Sisällysluettelo 1 Johdanto Mittausmenetelmä Tulokset Liitteet...10

4 3 (10) 1 Johdanto Tässä raportissa esitetään VTT:n kaupunkibussien päästötietokanta, sen taustalla olevat projektit ja niissä käytetyt mittausmenetelmät. VTT:n keräämä tietokanta koostuu vuosien aikana mitattujen kaupunkibussien päästötuloksista. Tietokantaan kerätyt tulokset ovat keskenään vertailukelpoisia, ja se on laajuudessaan poikkeuksellisen kattava, maailmanlaajuisestikin arvioituna. Uusien mittausten myötä tietokanta päivittyy jatkuvasti sekä uusien ajoneuvoyksilöiden että käytössä olevien autojen seurantamittausten myötä. Tietokannan perusteella on mahdollista määrittää ajoneuvotyyppien päästösuorituskyky sekä euro-luokan keskiarvona että yksilöidympänä merkki- ja euroluokkakohtaisena keskiarvona. Ajoneuvojen seurannan kautta voidaan tehdä johtopäätöksiä myös kilometrikertymän vaikutuksesta ajoneuvojen suorituskyvyn pysyvyyteen. Kaupunkibussien päästö- ja energiankulutustutkimusta on VTT:llä toteutettu useassa projektikokonaisuudessa. Projektit kattavat sekä bussi- että kuorma-autokaluston tutkimuksen. Ajoneuvojen päästösuorituskyvyn ja energiatehokkuuden lisäksi tutkimuksen aiheena on ollut mm. raskaan ajoneuvokaluston turvallisuus. Kaupunkibussien päästötutkimus aloitettiin VTT:llä laajemmin vuonna 2002 uuden raskaan kaluston tutkimuslaboratorion valmistuttua. Ensimmäiseen vuodet käsittäneeseen Bussikaluston pakokaasupäästöjen evaluiointi (RAKEBUS) -projektiin osallistuivat seuraavat tahot: Pääkaupunkiseudun Yhteistyövaltuuskunta YTV Helsingin Kaupungin Liikennelaitos, Suunnitteluyksikkö Liikenne- ja viestintäministeriö Gasum Oy Vägverket (Ruotsi) The International Association for Natural Gas Vehicles (Uusi-Seelanti) VTT Prosessit RAKEBUS-projektissa yhtenä keskeisenä tavoitteena oli selvittää erityyppisten kaupunkibussien päästöt todellisessa ajossa. Kaupunkibussien, kuten muidenkin raskaiden autojen, moottorit hyväksytään moottorikokeen perusteella irrallisina ottamatta huomioon ajoneuvon muita ominaisuuksia tai kuormitusprofiileja, joten tyyppihyväksymistestien tulokset eivät ole sovellettavissa todellisen liikenteen päästöjen arvioimiseen. Alkuperäinen tutkimussuunnitelma kuvasi bussiosuutta seuraavasti: Bussihankkeessa perimmäisenä tavoitteena on edistää uusien puhtaiden ja energiatehokkaiden teknologioiden käyttöönottoa bussiliikenteessä ja siten edistää bussiliikenteen kilpailukykyä ja haluttavuutta. Osatehtävässä kehitetään bussiliikenteen käyttöön autojen suorituskykyä (päästöt, energiankulutus ja mahdollisesti myös melu) mittaava arviointijärjestelmä. Metodiikkaa tullaan käyttämään sekä uusien ajoneuvotekniikoiden evaluointiin että jo käytössä olevien autojen todellisen ympäristöllisen suorituskyvyn mittaamiseen. Tieto eri automallien ja pakokaasunpuhdistustekniikoiden todellisesta suorituskyvystä antaa pohjaa kehittää kilpai-

5 4 (10) luttamisen kriteerejä oikeudenmukaiseen ja taloudellisesti järkevään suuntaan. Tietoa voidaan käyttää ohjailemaan tulevia kalustovalintoja. Tämän jälkeen kaupunkibussien tutkimustoimintaa on jatkettu RASTU Raskas ajoneuvokalusto: Turvallisuus, ympäristöominaisuudet ja uusi tekniikka ja HDENIQ Energiatehokas ja älykäs raskas ajoneuvo projekteissa. Kertyneiden mittausten myötä on muodostunut myös selvä kuva ajoneuvojen teknisestä kehityksestä päästöjen ja energian käytön osalta. Tämä tieto on julkisesti saatavilla ja käytettävissä projektijulkaisujen muodossa Projektikokonaisuudet, joissa bussitutkimusta on toteutettu ja internet-osoitteet lisätiedonhaulle: RAKEBUS RASTU HDENIQ Kuva 1. VTT ajoneuvotutkimusta on toteutettu laajasti suurten projektikokonaisuuksien alla

6 5 (10) 2 Mittausmenetelmä VTT:n raskaiden ajoneuvojen tutkimuslaboratoriossa on alustadynamometrin, moottoridynamometrin ja täyden virtaaman keräys- ja laimennuslaitteiston (CVS) lisäksi monipuolinen analyysilaitteisto erikoispakokaasumittauksiin, mukaan lukien laitteistot hiukkasten yksityiskohtaiseen karakterisointiin (mm. massaemissio, kokoluokittelu, lukumäärälaskenta). Froude Consinen valmistaman alustadynamometrin rullan halkaisija on 2,5 metriä, ja sen tehon vastaanottokyky (jatkuva) on 300 kw. Dynamometri on varustettu erittäin nopealla säätöjärjestelmällä ja sähköisellä inertian simuloinnilla mahdollistaen dynaamisen testauksen (transienttitestauksen). Inertian simulointi on säädettävissä alueella kg, eli laittaiestolla kyetään jäljittelemään jopa maksimiin kuormattua ajoneuvoyhdistelmää, jonka kokonaismassa on 60 tonnia. Säännellyt pakokaasukomponentit mitataan Direktiivin 1999/96/EC vaatimukset täyttävän täyden virtaaman CVS laitteiston (Pierburg CVS-120-WT) ja analysaattorijärjestelmän (Pierburg AMA 4000) avulla. Koska mittaukset tehdään dynaamisia ajosyklejä käyttäen, pakokaasumittaus tapahtuu periaatteessa samalla tavalla kuin henkilöautojen alustadynamometrimittauksissa tai transienttityyppisissä ETC moottorimittauksissa, eli pakokaasuista määritetään hetkelliset pitoisuudet ja yhdistämällä ne hetkelliseen pakokaasuvirtaamaan, saadaan laskettua massaemission kunakin ajanhetkenä. Lisäksi kerätään osavirtanäyte koko kokeen (tai osasyklin) ajalta näytepussiin henkilöautojen testin tapaan. Siitä saatavaa keskiarvotulosta voidaan verrata hetkellisten emissiotasojen kautta laskettuun kokonaistulokseen. Kuten jo edellä todettiin, raskaiden ajoneuvomoottorien hyväksymistestaus tapahtuu moottorikokeina. Mitään normitestiä kokonaisille ajoneuvoille ei ole. VTT:llä tunnistettiin kuitenkin tarve luoda raskaiden ajoneuvojen alustadynamometrimittauksiin hyväksytty mittausmenetelmä. Niinpä VTT kehitti oman, olemassa oleviin elementteihin perustuvan mittausmenetelmänsä. Näitä elementtejä ovat henkilö- ja pakettiautojen pakokaasupäästöjen hyväksymiseen käytettävä alustadynamometrimittaus (70/220/EEC), muuttuvakuormituksinen, transienttityyppinen ETC testi raskaille ajoneuvomoottoreille (1999/96/EC) ja amerikkalainen suositus Recommended Practice for Measuring Fuel Economy and Emissions of Hybrid-Electric and Conventional Heavy-Duty Vehicles (SAE J2711). VTT:n mittausmenetelmän elementit on esitetty kuvassa 1. Menetelmä kattaa sekä pakokaasumittaukset että polttoaineen kulutuksen mittaukset. Kesäkuussa 2003 Mittatekniikan Keskuksen (MIKES) alaisena toimiva akkreditointielin FINAS myönsi VTT.n menetelmälle akkreditoinnin (FINAS T125, VTT:n oma mittausmenetelmä, koodi MK02E). Nykyinen akkreditointitunnus on FINAS T259.

7 6 (10) Henkilö- ja pakettiautojen pakokaasumittaukset alustadynamometrissa 70/220/EEC 91/441/EEC 98/69/EC Raskaan kaluston moottorien pakokasumittaukset 96/1999/EC Raskaiden ajoneuvojen mittaukset alustadynamometrissa VTT PRO Raskaiden ajoneuvojen mittaukset alustadynamometrissa SAE J2711 Yleiset turvallisuusohjeet Kuva 2. VTT akkreditoidun raskaiden ajoneuvojen alustadynamometrimittauksen elementit. Kuva 3. Laboratoriossa vallitsee vakiolämpötila mahdollisimman tarkan toistettavuuden saavuttamiseksi.

8 7 (10) Tietokanta koostuu alustadynamometrilla ajettujen testien tuloksista. Tutkimusmenetelmän mukaisesti alustadynamometrilla suoritetaan Braunschweig -kaupunkibussisykli käyttäen ajoneuvon kuormituksena puolta nimelliskuormasta. Testisyklin aikana kertyneet ympäristöpäästöt ja polttoaineen kulutus ilmoitetaan massoina ajomatkaan suhteutettuna [g/km]. Ajo-ohjelmana käytetty Braunschweig-sykli on saksalaisperäinen, mutta yleisesti tunnettu ja laajalti käytetty varsinkin kaupunkiliikenteen bussien mittaamisessa. Sykli on tallennus ajoneuvon nopeudesta ajan suhteen, ja se kuvaa vertailumittausten mukaan hyvin myös Helsingin keskustan tyyppistä ajoa (Kuva 4). Todellisesta ajosuoritteesta tallennettu nopeus/aikaprofiili toistetaan kaikilla tutkimuksen ajoneuvoilla. Toisin sanoen kaikilla ajoneuvoilla toteutetaan samanlainen ajosuorite. Tämä on keskeisen tärkeää ajoneuvojen vertailukelpoisuuden saavuttamiseksi. Erityyppisillä ajosuoritteilla ajoneuvojen suorituskyky ei ole vertailukelpoinen. VTT:n menetelmässä ajoneuvo lämmitetään ennen mittauksia ajamalla puoli tuntia nopeudella 80 km/h. Tämän jälkeen ajoneuvon tila vakioidaan ajamalla yksi kokonainen mittasykli, esim. Braunschweig-sykli (1740 s). Vakioinnin jälkeen suoritetaan kaksi peräkkäistä testiajoa, joiden tuloksien keskiarvo on varsinainen ilmoitettava tulos. Mittaus tapahtuu normaalissa huoneenlämmössä. VTT käyttää kaupunkibussien seurantamittauksissa tavallista jakeluasemilta saatavaa kauppalaatuista, kevät-, kesä- ja syyskäyttöön tarkoitettua (-5/-15) dieselpolttoainetta (Neste). Polttoaine-erät hankitaan VTT:lle n. kaksi kertaa vuodessa ja niistä otetaan kontrollinäytteet, jotka arkistoidaan. Ajoneuvon polttoaineen kulutus testin aikana mitataan ulkoisesta polttoainesäiliöstä punnitsemalla, nykyään myös kaasuajoneuvojen osalta. Polttoaineen punnitusmenettely otettiin käyttöön maakaasuautoille 2009, jota aikaisemmat polttoaineenkulutustulokset on määritelty laskennallisesti pakokaasupäästöistä (normaali käytäntö mm. henkilöautojen tyyppihyväksymismittauksissa). Kaupunkibussien ajovastuksina käytetään vastuksia, jotka on määritetty kullekin ajoneuvoluokalle rullauskokeilla käyttäen kuormana puolta nimelliskuormasta. Puolikuorma antaa kuvan ajoneuvojen keskimääräisestä suorituskyvystä. Kuorman vaikutus runsaasti kiihdytyksiä ja jarrutuksia sisältävässä Braunschweig-syklissä on merkittävä, sillä ajoneuvon massan kiihdyttämiseen käytetään n. 80 % vetopyörälle tuodusta energiasta. Tyypillisesti vetopyörälle tuodusta työstä n. 20 % kuluu vierinvastuksen voittamiseen, n. 10% ilmanvastuksen voittamiseen ja loput n. 70% muutetaan jarruissa lämmöksi. Painon vaikutus Braunschweig-syklissä on keskimäärin n. 2,1 l/100 km jokaista tuhatta kiloa kohden. On siis huomionarvoista ja tärkeää, että ajoneuvojen testaus tapahtuu vakio-olosuhteissa ja vakiokuormituksella. Vain sillä tavalla voidaan ajoneuvojen välistä vertailua suorittaa millään uskottavalla tasolla. VTT:n raskaan kaluston laboratorio on rakennettu vastaamaan näitä vaatimuksia, kuten myös VTT:n käyttämät mittausmenetelmät ottavat huomioon tarvittavat yksityiskohdat luotettavien tutkimustulosten tuottamiseksi. Mittausmenetelmiä on kuvattu tarkemmin liitteenä olevassa raskaan kaluston alustadynamometrimittausten menetelmien yhteenvedossa (Liite 1.).

9 8 (10) 70 Braunschweig Speed [km/h] Time [s] Kuva 4 Braunschweig kaupunkibussisyklin nopeus aika profiili 3 Tulokset Keskiarvotulokset on jaoteltu kahdella tavalla. Toisaalta ne jakautuvat Euro-luokkien yleisiksi keskiarvoiksi, eri polttoaineiden mukaan jaoteltuna (Kuva 5) ja toisaalta merkkikohtaisiksi keskiarvoiksi, polttoaineen ja euroluokan mukaan jaoteltuina (Kuva 6). Keskiarvo muodostuu useasta mittauksesta samantyyppisille ajoneuvoille, vaikkakin joitain pääkaupunkiseudulla harvinaisempia ajoneuvoja edustaa joskus vain yksi auto ja sille tehty yksi mittaus. Keskiarvo sisältää mittauksia eri ajoneuvo yksilöistä sekä samojen yksilöiden vuotuisia seurantamittauksia. Mikäli sama yksilö on mitattu useita kertoja, huomioidaan keskiarvossa vain ensimmäinen ja viimeinen mittaus. Kaiken kaikkiaan bussitietokanta käsittää tulokset tällä hetkellä noin 75 erillisestä testistä. Työ kaupunkibussien parissa jatkuu edelleen monipuolisena ja lisää mittauksia tullaan lisäämään tietokantaan säännöllisesti. Taulukko 1. Euroluokka ja polttoaine -kohtaiset keskiarvotulokset. Kaupunkibussien keskiarvotulokset kaksiakselisten ajovastuksilla, Braunschweig-syklissä, puolessa kuormassa Päivitetty Braunschweig Lukumäärä n Ajomäärä Min Max CO g/km HC g/km CH4* g/km NOx g/km PM g/km CO2 g/km CO2 eqv** g/km FC kg/100km Diesel Euro Diesel Euro Diesel Euro Diesel Euro Diesel Euro 5*** Diesel EEV CNG Euro CNG Euro CNG EEV (ind.x) = yksilöin tunniste *Maakaasuautoille käytetty CH4 = THC * 0.95, dieseleille CH4 = 0 ** CO2 ekv = CO * CH4 *** Euro 5 tulokset arvioitu Euro 4 tulosten perusteella FC MJ/km

10 9 (10) Taulukko 2. Ajoneuvomerkki ja euroluokka -kohtaiset keskiarvotulokset. Kaupunkibussien keskiarvotulokset kaksiakselisten ajovastuksilla, Braunschweig-syklissä, puolessa kuormassa Päivitetty Braunschweig Lukumäärä Ajomäärä CO HC CH4* NOX PM CO2 CO2 ekv** Kulutus Kulutus n Min Max g/km g/km g/km g/km g/km g/km g/km kg/100km MJ/km Euro 2 Volvo Euro 2 MB (12l) Euro 2 Scania Euro 2 Renault Euro 3 Volvo (7l) Euro 3 Scania Euro 3 CRT Scania Euro 4 Volvo (7l) Euro 4 Volvo (9l) Euro 4 MB Euro 4 Scania EEV Iveco CRT EEV Volvo EEV Scania Euro 2 CNG Volvo Euro 2 CNG MB Euro 3 CNG Volvo EEV CNG MB EEV CNG MAN (13l) EEV CNG MAN (12l) EEV CNG Iveco (ind.x) = yksilöin tunniste *Maakaasuautoille käytetty CH4 = THC * 0.95, dieseleille CH4 = 0 ** CO2 ekv = CO * CH4

11 10 (10) 4 Liitteet LIITE 1. SUMMARY OF THE METHODOLOGY APPLIED AT VTT FOR MEASUREMENT EXHAUST EMISSIONS AND FUEL CONSUMPTION FROM HEAVY-DUTY VEHICLES USING CHASSIS DYNAMOMETER

12 Juhani Laurikko Kimmo Erkkilä VTT-M Memorandum 1 (4) SUMMARY OF THE METHODOLOGY APPLIED AT VTT FOR MEASUREMENT EXHAUST EMISSIONS AND FUEL CONSUMPTION FROM HEAVY-DUTY VEHICLES USING CHASSIS DYNAMOMETER VTT Emission Control has accreditation from the Finnish accreditation service FINAS 1 for the measurement of regulated exhaust emissions (gaseous and mass of particulate matter) and fuel consumption from heavy-duty road vehicles on a transient-load chassis dynamometer (see Accreditation Certificate FINAS T001, Attachment 1.17) 2 At present, there is no standard or equivalent common guideline for measurements on heavy-duty vehicles on a chassis dynomometer. Therefore, the accreditation is based on an in-house method that the accreditation body has deemed sufficient to grant their approval. This method is a compendium from several existing standards or equivalent prescriptions of procedures that can be applied, parallel to their original application, to the case at hand, as well. These include the following list: Measurement of exhaust emissions (gaseous and particulate mass) from light-duty vehicles, EU (Directive 70/220/EEC, primary amendments regarding measurement and test procedure 91/441/EC and 98/69/EC. Measurement of exhaust emissions (gaseous and particulate mass) from light-duty vehicles, US (Code of Federal Regulations, Title 40, Part 86). Measurement of exhaust emissions (gaseous and particulate mass) from heavy-duty engines for on-road applications, EU (Directive 88/77/EEC, primary amendment regarding measurement and test procedure 1999/96/EC). Chassis dynamometer tes procedure Heavy-duty road vehicles. Surface Vehicle Recommended Practice SAE J2177, issued April Chassis dynamometer simulation of road load using coastdown techniques. Surface Vehicle Recommended Practice SAE J2262, issued April Measurements of exhaust emissions and fuel consumption on heavy vehicles on a chassis dynamometer, (SAEJ2711, Recommended Practice for Measuring Fuel Economy and Emissions of Hybrid-Electric and Conventional Heavy-Duty Vehicles), issued September The complete measurement is a process that includes both the hardware (specifications for the performance) and operational procedure. In the accreditation process at VTT the procedure has been split apart to various sub-processes, and each of these subprocessess were linked to these VTT TECHNICAL RESEARCH CENTRE OF FINLAND VTT PROCESSES Biologinkuja 5, Espoo P.O.BOX 1601, FIN VTT FINLAND Tel Fax name.surname@vtt.fi Business ID

13 2 (4) main reference documents listed above, and some in-house practices, as well, that are in written documentation (but only available in Finnish language at the moment). The following graph (overleaf) breaks down the procedure and lists the relevant references for each main block. As described in the graph, the specifications, calibration etc. of the exhaust sampling, dilution and analysis are according to the European Directive 1999/96/EC for heavy-duty engines. This includes particulate sampling and filter weighing. Determination of the road load coefficients using on-the-road coast-down tests is at large following procedures of the European Directive for light-duty vehicles (passenger cars and vans), i.e. 70/220/EEC, with further amendments like 91/441/EC and 98/69/EC, as well as provisions in SAEJ2264. Also derived from on-road work are the recording of the duty cycles (driving cycles) including momentary road gradient for added reality in simulation of the driving on actual routes. This, however, is based on an in-house method and practice, and used only on road routes for trucks, as for urban busses the gradient is less important. Both driving cycle (speed vs. time) and road gradient (inclination) are carried over to the two VDU units that give the driver the necessary information to be able to follow the desired duty-cycle. Showing the road gradient on a secondary display increases the driver s possibility to keep the vehicle at the right speed. The preparations and setting up of the test vehicles is a combination of practices from the SAE J2711 and in-house methods. It includes using normalised wheel/axle load on driving wheels, and normal tyres, i.e. same set or at least type of tyres are used in all vehicles, only changing size to match vehicle specs, if necessary. Setting up and calibration of the chassis dyno follows the outlines laid down in the European Lightduty vehicle directive, and the SAE Practise in SAEJ2177 and SAEJ2711. Air compressor and cooling fan are both disengaged to decrease variability in engine operation, and air is taken from the external lab air supply and cooling provided by a large diameter fan close-coupled to the vehicle cooling system to provide adequate air flow and cooling effect. However, in some cases when the operation of the cooling fan is an essential part of the engine load, it is left on. Fuel temperature is normalised, and external fuel tank on a digital scale is used for fuel consumption (mass) measurements. Ambient temperature in the test cell is kept constant during the test at normal ambient, ranging from +20 to +25 C. The photograph (overleaf) gives a typical set-up for a truck on the chassis dyno. Running of the test is performed according to the provisions in the European Light-duty vehicle directive, including e.g. tolerances for the deviations from the speed vs. time profile etc. Multiple successive repetitions of the test runs are performed to increase the accuracy of the results. Calculation of the test results are also following the provisions in the European Light-duty vehicle directive (70/220/EEC) with all the relevant amendments taken into consideration.

14 Heavy-duty truck on a chassis dynamometer test set-up at VTT Processes 3 (4)

15 4 (4) Block diagram of the testing procedure for heavy-duty truck on a chassis dynamometer at VTT Processes